đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly tới độ chính xác định vị gps

TÓM TẮT Hiện nay, công nghệ GPS rất phát triển, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trắc địa yêu cầu độ chính xác cao như lập lưới lập lưới khống chế các cấp hạng, quan trắc chuyển dịch… đến l

TÓM TẮT

Hiện nay, công nghệ GPS rất phát triển, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trắc địa yêu cầu độ chính xác cao như lập lưới lập lưới khống chế các cấp hạng, quan trắc chuyển dịch… đến lĩnh vực cần độ chính xác thấp như hàng hải, du lịch, thám hiểm… Tuy nhiên, mức độ chính xác của phép định vị GPS phụ thuộc nhiều yếu tố: độ trễ gây bởi tầng điện ly, độ trễ gây bởi tầng khí quyển, độ trễ đồng hồ của vệ tinh và máy thu, và nhiễu thu nhận tín hiệu… trong đó yếu tố tầng điện ly gây ra ảnh hưởng đáng

kể đến kết quả đo Do đó, cần tìm hiểu, nghiên cứu phương pháp khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly, sau đó hiệu chỉnh độ trễ xác định được vào trị đo khoảng cách giả P1 để cải thiện độ chính xác định vị

Có rất nhiều phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng của nguồn sai số do tầng điện

ly gây ra, người sử dụng có thể nhận độ trễ điện ly từ mô hình điện ly Klobuchar (đối với máy thu một tần số) và công thức tính độ trễ tín hiệu L1, L2 cho trị đo khoảng cách giả (đối với máy thu hai tần số) Hiện nay, trong các dữ liệu đo GPS cũng như của các trung tâm dịch vụ về dữ liệu vệ tinh (IGS, CDDIS, IGN, SOPAC…) đều cung cấp những thông số cho phép tính toán độ trễ và ảnh hưởng do tầng điện ly tại thời điểm và vị trí đặt máy thu Từ đó, đánh giá được ảnh hưởng điện ly, độ chính xác định vị trước và sau khi hiệu chỉnh điện ly

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề, lí do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích và nhiệm vụ của đồ án 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 2

1.4 Cấu trúc đồ án 3

CHƯƠNG 2: ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY LÊN TÍN HIỆU GPS 4

2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS 4

2.1.1 Giới thiệu về GPS 4

2.1.2 Tín hiệu GPS 8

2.1.3 Các nguồn lỗi của tín hiệu GPS 11

2.1.4 Các trị đo GPS 13

2.2 Tầng điện ly và ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu GPS 15

2.2.1 Tầng điện ly 15

2.2.2 Các lớp tầng điện ly 17

2.2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đến tín hiệu GPS 19

2.3 Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly 24

2.3.1 Đối với máy thu GPS một tần số 24

2.3.2 Đối với máy thu GPS hai tần số 28

2.4 Thuật toán định vị tuyệt đối khoảng cách giả theo code 29

2.5 File dữ liệu phục vụ tính toán 32

2.5.1 Dữ liệu dạng RINEX 32

2.5.2 Lịch vệ tinh chính xác 34

2.5.3 Dịch vụ xử lý GPS trực tuyến: CSRS-PPP (The Canada Spatial Reference System Precise Point Positioning) 37

2.6 Giới thiệu phần mềm MATLAB 38

2.7 Giới thiệu phần mềm RTKLIB 39

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 41

3.1 Sơ đồ xử lý 41

3.2 Kết quả và đánh giá kết quả xử lý 42

3.2.1 Đồ thị thể hiện độ trễ điện ly 42

3.2.2 Đánh giá kết quả xử lý 45

3.2.3 Nhận xét 49

3.3 Kết quả và đánh giá kết quả xử lý bằng phần mềm RTKLIB 49

3.3.1 Đánh giá kết quả xử lý 49

3.3.2 Nhận xét 52

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

4.1 Kết luận 53

4.2 Kiến nghị 54

4.2.1 Khó khăn và hạn chế 54

4.2.2 Hướng phát triển đề tài: 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.5: Thời gian truyền tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu GPS 9

Hình 2.8: Hiện tượng đa đường truyền trong quan sát 12

Hình 2.10: Sơ đồ tầng khí quyển và các lớp điện ly của trái đất 16

Hình 2.15: Sơ đồ chuyển đổi từ dữ liệu thô sang định dạng dữ liệu RINEX 33 Hình 2.16: Cửa sổ dùng để gửi dữ liệu xử lý của CSRS-PPP 37

Hình 3.2: Đồ thị thể hiện độ trễ điện ly của vệ tinh 4 43 Hình 3.3: Đồ thị thể hiện độ trễ điện ly của vệ tinh 5 43 Hình 3.4: Đồ thị thể hiện độ trễ điện ly của vệ tinh 12 44 Hình 3.5: Đồ thị thể hiện độ trễ điện ly của vệ tinh 25 44 Hình 3.6 Hệ tọa độ vuông góc không gian địa diện chân trời 45 Hình 3.7: Đồ thị thể hiện độ lệch tọa độ máy thu khi chưa HC điện ly 48 Hình 3.8: Đồ thị thể hiện độ lệch tọa độ máy thu khi đã hiệu chỉnh điện ly 49 Hình 3.9: Đồ thị thể hiện độ lệch tọa độ máy thu khi chưa HC điện ly 50 Hình 3.10: Đồ thị thể hiện độ lệch tọa độ máy thu khi đã hiệu chỉnh điện ly 51

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các tính năng của các vệ tinh GPS hiện tại và

tương lai

6

Bảng 2.2: Thời gian có được lịch vệ tinh và độ chính xác xác định

tọa độ vệ tinh theo từng loại lịch vệ tinh

34

Bảng 3.1: Độ lệch tọa độ khi chưa hiệu chỉnh độ trễ điện ly 47 Bảng 3.2: SSTP theo các hướng khi chưa hiệu chỉnh độ trễ điện ly 47 Bảng 3.3: Độ lệch tọa độ khi đã hiệu chỉnh độ trễ điện ly 48 Bảng 3.4: SSTP theo các hướng khi đã hiệu chỉnh độ trễ điện ly 48 Bảng 3.5: Độ lệch tọa độ khi chưa hiệu chỉnh độ trễ điện ly 50 Bảng 3.6: SSTP theo các hướng khi chưa hiệu chỉnh độ trễ điện ly 50 Bảng 3.7: Độ lệch tọa độ khi đã hiệu chỉnh độ trễ điện ly 51 Bảng 3.8: SSTP theo các hướng khi đã hiệu chỉnh độ trễ điện ly 51

DANH MỤC KÍ TỰ VIẾT TẮT

BPSK Bi-Phase Shift Keying

CDDIS Crustal Dynamics Data Information System

CIGNET Cooperative International GPS Network

CSRS-PPP The Canada Spatial Reference System Precise Point Positioning GLONASS Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (Global

Orbiting Navigation Satellite System-Russian) GNSS Global Navigation Satellite System

GPS Global Positioning System

IGS International GNSS Service

IPP Ionospheric Pierce Point

ITRF International Terrestrial Reference Frame

IRNSS Indian Regional Navigational Satellite System

NGS National Geodetic Survey

PCA Polar Cap Absorption

PPP Precise Point Positioning

QZSS Quasi-Zenith Satellite System

RINEX Receiver Independence Exchange format

SBAS Satellite-Based Augmentation System

SID Sudden Ionospheric Disturbance

TEC Total Electron Content

VTEC Vertical Total Electron Content

WGS-84 World Geodetic System - 1984

vì thế mức độ chính xác của phép định vị GPS phụ thuộc nhiều yếu tố: độ trễ gây bởi tầng điện ly, độ trễ gây bởi tầng khí quyển, độ trễ đồng hồ của vệ tinh và máy thu, và nhiễu thu nhận tín hiệu Trong số các yếu tố này, ảnh hưởng gây bởi tầng điện ly là đáng kể nhất

Tầng điện ly bao phủ vùng trong khoảng độ cao từ 50km tới 1000km phía trên

bề mặt Trái Đất và được đặc trưng bởi sự xuất hiện của một lượng đáng kể các ion

và electron tự do đủ để phản xạ hoặc ảnh hưởng tới các sóng điện từ truyền qua nó Quá trình ion chủ yếu do hoạt động của Mặt Trời và nó thay đổi mạnh mẽ theo thời gian, hoạt động của mặt trời, từ trường của trái đất, cũng như vị trí địa Tác động lên

vị trí điểm GPS có thể thay đổi từ vài mét đến hơn hai mươi mét trong một ngày, tùy thuộc vào vị trí và thời gian của người dùng cùng với sự thay đổi trong tầng điện ly Tầng điện ly là một môi trường phân tán, theo đó khúc xạ phụ thuộc vào tần số tín hiệu đi qua nó Sự chậm trễ điện ly có thể được định nghĩa như là tỷ lệ nghịch với bình phương của tần số truyền Do đó, các máy thu GPS tần số kép có thể tận dụng lợi thế của tầng điện ly này để trực tiếp đo và loại bỏ hiệu ứng điện ly bằng cách tạo

ra sự kết hợp tuyến tính kép - tần số kép Mặt khác, người sử dụng GPS tần số đơn không thể sử dụng điều này để giảm bớt sự chậm trễ của điện ly Vì vậy, người sử dụng GPS tần số đơn phải dựa vào một sản phẩm điện ly bên ngoài hoặc mô hình để sửa chữa cho sự chậm trễ Tính chính xác của các mô hình điện ly này rất quan trọng

để đạt được các giải pháp định vị có độ chính xác cao

Trong bối cảnh trên đề tài ʺĐánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly tới độ chính

xác định vị GPSʺ được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Minh Tuấn

1.2 Mục đích và nhiệm vụ của đồ án

Đồ án đánh giá ảnh hưởng của tầng điện ly tới độ chính xác định vị điểm khi

sử dụng tín hiệu vệ tinh GPS với số liệu đo tĩnh liên tục 4 giờ đồng hồ

Với mục đích trên, đồ án giải quyết những vấn đề sau:

- Phân tích ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu GPS

- Tìm hiểu các phương pháp xác định độ trễ điện ly đến tín hiệu GPS và

phương pháp định vị tuyệt đối

- Thiết lập thuật toán, quy trình xác định độ trễ, bài toán định vị từ các số liệu GPS

- Phân tích, đánh giá kết quả định vị điểm trước và sau khi hiệu chỉnh điện ly

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Độ trễ do tầng điện ly gây ra có thể được xác định theo 2 cách như sau:

- Cách 1: Tính theo các hệ số có trong thông báo hàng hải theo phương pháp Klobuchar (gọi là mô hình Klobuchar) Mô hình Klobuchar có thể phân tích khoảng 70-90% độ trễ điện ly vào thời gian ban ngày và khoảng 60-70% vào thời gian ban đêm tại vĩ độ trung bình Trong khoảng thời gian hoạt tính mặt trời cao, mô hình này chỉ có thể loại trừ hơn 50-60% ảnh hưởng của tầng điện ly mà thôi

- Cách 2: Xác định giá trị TEC và độ trễ tín hiệu L1, L2 cho trị đo khoảng cách giả (đối với máy thu hai tần số) Tầng điện ly được mô tả thông qua các electron tự

do và các hạt tích điện Nó nằm ở độ cao khoảng 60Km so với mặt đất và có bề dày khoảng 400Km ÷ 500Km Các ion tự do được sinh ra do sự bức xạ của các tia tử ngoại mặt trời và làm cho tín hiệu khi truyền trong môi trường này bị phân tán và khúc xạ một cách không tuyến tính Sự phân tán và khúc xạ của tín hiệu đã ảnh hưởng vào sai số đo khoảng cách Sai số này lại phụ thuộc vào tần số của tín hiệu Tần số của tín hiệu càng cao thì ảnh hưởng của tầng điện ly càng nhỏ và ngược lại Do đó sử dụng máy thu GPS hai tần số, ta có thể loại bỏ được hầu hết các ảnh hưởng của tầng điện ly (khoảng 90%)

Từ đó đánh giá độ lệch giữa 2 phương pháp xác định độ trễ tầng điện ly trên Dựa vào lịch vệ tinh chính xác, tiến hành định vị tuyệt đối theo khoảng cách giả P1 Bản chất của việc sử dụng tín hiệu GPS vào định vị đó là giải bài toán giao hội cạnh không gian mà tọa độ của các vệ tinh trên quỹ đạo đóng vai trò là số liệu gốc

Từ đó hiệu chỉnh độ trễ tầng điện ly vào trị đo khoảng cách P1, sau đó đánh giá độ chính xác định vị trước và sau khi hiệu chỉnh điện ly (số hiệu chỉnh xác định theo cách 2)

Thông tin về quỹ đạo của các vệ tinh cho trong tệp lịch vệ tinh chính xác được cho với giãn cách 15 phút một lần Trong khi đó, tần suất ghi tín hiệu trị đo thường nhỏ

hơn rất nhiều (15 giây) vì vậy cần nội suy tọa độ vệ tinh và sai số đồng hồ vệ tinh từ tệp tệp lịch chính xác bằng hàm nội suy Lagrange

1.4 Cấu trúc đồ án

Đồ án được chia thành 4 chương:

Chương 1 mở đầu: tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương 2 trình bày lý thuyết về tầng điện ly, ảnh hưởng tầng điện ly, biện pháp khắc phục và bài toán định vị tuyệt đối khoảng cách giả Giới thiệu phần mềm lập trình Matlab và phần mềm xử lý số liệu GPS Rtklib

Chương 3 trình bày kết quả và đánh giá kết quả đạt được trước và sau khi hiệu chỉnh điện ly

Chương 4 kết luận sẽ tổng hợp lại các kết quả đạt được trong đồ án, đưa ra các kiến nghị và đề xuất hướng cần nghiên cứu tiếp theo

Ngoài ra đồ án còn kèm theo phần phụ lục với các công thức, các chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để phục vụ cho việc tính toán và kết quả

xử lý bằng lập trình Matlab và phần mềm Rtklib

Hình 2.1: Các bộ phận GPS

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA TẦNG ĐIỆN LY LÊN TÍN HIỆU GPS

BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ TUYỆT ĐỐI 2.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

2.1.1 Giới thiệu về GPS

GPS với tên đầy đủ là System with Time and Ranging Global Positioning System, đây là một hệ thống radio hàng hải dựa vào các vệ tinh NAVSTAR (Navagation Satellite Time and Ranging) để cung cấp thông tin về vị trí 3 chiều và thời gian chính xác Hiện nay hệ thống này đang được sử dụng trên phạm vi toàn cầu

và hoạt động mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên Trái Đất và mọi thời điểm, được chính phủ Mỹ phát triển và thực hiện phục vụ cho các mục đích dân sự và quân sự trong việc xác định chính xác vị trí, vận tốc và thời gian ở khắp mọi nơi ở trên và gần mặt đất Ngày nay hệ thống định vị toàn cầu cũng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu khoa học: nghiên cứu chuyển động kiến tạo mảng của vỏ Trái Đất, nghiên cứu thời tiết vũ trụ, tầng khí quyển, tầng điện ly…

Hệ thống GPS được chia làm 3 bộ phận chính: bộ phận không gian, bộ phận điều khiển, và bộ phận sử dụng bao gồm nhiều loại máy thu

2.1.1.1 Bộ phận không gian

Bộ phận hoạt động trên không gian của hệ thống GPS chính là các vệ tinh, bộ phận này có từ 24 đến 32 vệ tinh được sắp xếp bay trong 6 mặt phẳng quỹ đạo nghiêng khoảng 55º so với mặt phẳng xích đạo của Trái Đất và cách đều nhau một góc 60º

Hình 2.2: Quỹ đạo vệ tinh GPS

trên xích đạo Các quỹ đạo vệ tinh là gần tròn, với một nửa trục chính khoảng 26600

km, tương ứng với độ cao xấp xỉ 20200 km trên bề mặt Trái Đất

Vệ tinh GPS đầu tiên được chế tạo và phóng thành công vào ngày 22 tháng 2 năm 1978 Đến ngày 8 tháng 12 năm 1993, chùm 24 vệ tinh đã đi vào hoạt động đầy

đủ Hiện nay chùm vệ tinh của hệ thống GPS có tổng cộng 32 vệ tinh hoạt động liên tục và chu kỳ vòng quay quỹ đạo mỗi vệ tinh là khoảng 11 giờ 58 phút, gần như đúng một nửa ngày thiên văn, đảm bảo tại mỗi vị trí trên Trái Đất có thể nhìn thấy ít nhất

là 4 vệ tinh

Ngoài hệ thống định vị toàn cầu của Mỹ, Liên Xô (nay là Nga) cũng phát triển một hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu có tên gọi GLONASS (GLObal Navigation Satellite System), có các đặc tính tương tự, hiện tại có 28 vệ tinh hoạt động Liên minh Châu Âu cũng đang phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường mang tên Galileo, hiện tại có 6 vệ tinh đang hoạt động và dự kiến có khoảng 30 vệ tinh hoạt động vào năm 2019 Tiếp đến là Trung Quốc đang phát triển hệ thống vệ tinh dẫn đường mang tên BeiDou, đã có 14 vệ tinh hoạt động và dự kiến có khoảng 35 vệ tinh hoạt động bao phủ toàn cầu vào năm 2020 Tên gọi chung cho các hệ thống vệ tinh này là hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu (Global Navigation Satellite System - GNSS) (https://www.gps.gov/systems/gps/space/, 2017)

Bảng 2.1: Bảng tóm tắt các tính năng của các vệ tinh GPS hiện tại và tương lai

(số liệu được cập nhật đến tháng 11 năm 2017) (http://www.gps.gov/systems/gps/space/)

 Mã P (Y) trên L1 & L2

 Tuổi thọ thiết kế 7.5 năm

 Ra mắt vào năm 1997-

2004

 Tất cả các tín hiệu

kế thừa

 Tín hiệu dân sự thứ 2 trên L2 (L2C)

 Các tín hiệu quân

sự M mới, chống nhiễu tốt

 Mức năng động linh hoạt cho tín hiệu quân sự

 Tuổi thọ thiết kế 7.5 năm

 Ra mắt trong năm 2005-2009

 Tất cả các tín hiệu của Block IIR-M

 Tín hiệu dân sự thứ 3 trên tần số L5 (L5)

 Đồng hồ nguyên tử tiên tiến

 Cải thiện

độ chính xác, cường độ tín hiệu và chất lượng

 Tuổi thọ thiết kế 12 năm

 Ra mắt trong năm 2010-2016

 Tất cả các tín hiệu của khối IIF

 Tín hiệu dân sự thứ 4 trên L1( L1C)

 Độ tin cậy, chính xác và tính toàn vẹn của tín hiệu nâng cao

 Không có nhiễu cố ý SA

 Vệ tinh 11+: gương phản xạ laser, cho phép tìm kiếm và cứu

hộ

 Tuổi thọ thiết kế 15 năm

 Lần ra mắt đầu tiên dự định năm

2018

2.1.1.2 Bộ phận điều khiển

Bộ phận điều khiển gồm 4 trạm giám sát chính và 1 điều khiển trung tâm Trạm chủ được đặt ở Colorado Springs, Hoa Kỳ Bốn trạm giám sát được đặt ở Hawaii, Kwajalein, Ascension Island, Diego Garcia Hệ thống các trạm giám sát trên mặt đất

có nhiệm vụ quan trắc các vệ tinh, tính toán các thông số quỹ đạo, thông số hiệu chỉnh đồng hồ, sau đó phát các thông tin cập nhật và các lệnh điều khiển tới mỗi vệ tinh (https://www.gps.gov/systems/gps/control/, 2017)

2.1.1.3 Bộ phận sử dụng

Các máy thu GPS chính là bộ phận sử dụng trong hệ thống GPS Ngày nay, các máy thu GPS được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới với nhiều loại máy thu khác nhau, máy thu GPS thu nhận thông tin từ các vệ tinh sẽ cung cấp cho người dùng vị trí, vận tốc di chuyển, thời gian thực Phân khúc người dùng bao gồm một số lượng người dùng Mỹ và đồng minh quân sự của dịch vụ GPS định vị chính xác, và rất nhiều người sử dụng phục vụ cho mục đích dân sự: thương mại, nghiên cứu khoa học Một vài ứng dụng nổi bật của công nghệ GPS có thể được kể đến như sau (https://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps.html, 2017):

- Cung cấp thang thời gian chuẩn toàn cầu phục vụ đồng bộ hệ thống năng lượng, viễn thông, ngân hàng…

- Định vị dẫn đường trong không gian ba chiều, sử dụng để làm hoa tiêu trong hàng không, đường thủy và cả vận tải đường bộ

- Xác định vị trí chính xác, được sử dụng trong trắc địa, nghiên cứu chuyển động kiến tạo của vỏ Trái Đất

Hình 2.3: Các trung tâm điều khiển GPS

- Ứng dụng trong nghiên cứu hàm lượng hơi nước trong tầng đối lưu, nghiên cứu tầng điện ly cung cấp những thông tin rất hữu ích trong nghiên cứu khí tượng, truyền thông, thời tiết không gian

2.1.2 Tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS là một máy dao động chất lượng cao, nó là một tập hợp các đồng hồ nguyên tử Cesi và Rubidium, được dùng để phát ra kế tiếp nhau hai sóng mang liên kết L1 và L2 tương ứng với hai tần số GPS là f1 và f2 Hai tần số mang này được rút ra từ tần số cơ bản f0 = 10.23 MHz: f1 = 154×f0 = 1575.42 MHz; f2= 120×f0

do tầng điện ly, là một trong những mục đích chính đề cập tới trong đồ án này

Có hai mã nhiễu giả ngẫu nhiên (PRN) được điều biến trên hai sóng mang cơ bản được phát ra trong quá trình truyền (Đặng Nam Chính, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 91):

- Mã thứ nhất là mã C/A có thể dùng cho mục đích dân sự Mã C/A, được chỉ định như phục vụ định vị chuẩn (SPS), có bước sóng hiệu dụng xấp xỉ 300m Mã C/A

là một mã lặp lại nhiễu giả ngẫu nhiên tần số 1.023 MHz Mã C/A hiện nay được điều biến chỉ ở tần số f1 và được loại bỏ một cách có chủ ý khỏi tần số f2

- Mã thứ hai là mã P (mã chính xác) dành riêng cho quân đội Mỹ và những người sử dụng được phép khác Mã P, được chỉ định phục vụ định vị chính xác (Presice Positioning Service-PPS ), có bước sóng hiệu dụng là 30 m, có tần số 10.23 MHz Mã P (P1 và P2) được điều biến trên cả hai sóng mang L1 và L2 Để ngăn chặn không cho những người sử dụng dân sự dùng đầy đủ tính năng của hệ thống, thì chế

độ hoạt động chống giả mạo tín hiệu (Anti-Spoofing - AS) đã được sử dụng từ 31 tháng 1 năm 1993 Mã P1 được viết lại dưới dạng mật mã chuyển thành mã Y và chỉ

sử dụng được khi người dùng có khóa mở mật mã, chỉ còn mã C/A và mã P2 được sử dụng rộng rãi Bên cạnh mã PRN, tín hiệu còn được điều chế bởi bản tin định vị chứa thông tin về trạng thái vệ tinh, độ lệch đồng hồ vệ tinh, và lịch thiên văn vệ tinh được điều biến trên cả hai sóng mang

Hình 2.4: Tín hiệu GPS

Hình 2.5: Thời gian truyền tín hiệu giữa vệ tinh và máy thu GPS

Về nguyên tắc, GPS là một hệ thống đo khoảng cách một chiều Tín hiệu được phát ra bởi một vệ tinh và thu được bởi một máy thu phù hợp Thực chất, quan sát GPS là đo thời gian truyền tín hiệu từ vệ tinh tới máy thu Do sự thiếu đồng bộ của đồng hồ máy thu, người ta không thể suy ra một cách trực tiếp khoảng cách từ phép

đo, do đó khoảng cách đo được gọi là giả khoảng cách Trong nghiên cứu GPS, phép

đo giả khoảng cách là phép đo rất được quan tâm, nếu sử dụng mã C/A (giả tần số 1.023 MHz) độ chính xác khoảng 30m Còn nếu sử dụng mã P (giả tần số 10.23 MHz)

độ chính xác đạt tới 10m, một lưu ý rằng, độ rộng xung càng nhỏ cho độ chính xác càng cao

Hình 2.6: Phép đo pha trong GPS

Bổ sung các tín hiệu định vị mới vào các vệ tinh là trọng tâm chính của chương trình hiện đại hóa hệ thống GPS (GPS Modernization Program) Chính phủ Mỹ đang trong quá trình đưa ba tín hiệu mới được thiết kế cho dân sự: L2C, L5, L1C và tín hiệu quân sự M (J Sanz Subirana, J.M Juan Zornoza and M Hernández-Pajares,

- Các tín hiệu M của quân đội được thiết kế để sử dụng các cạnh của băng tần với một tín hiệu nhỏ chồng lên nhau với các tín hiệu C/A và P (Y) trước đây Mã M quân sự này được điều biến sóng tải L1 và L2 sử dụng kế hoạch Binary Offset Carrier (BOC) Nó được thiết kế để người nhận có thể thu được tín hiệu mã M mà không cần truy cập vào các tín hiệu mã C/A hoặc P (Y)

- L5 là tín hiệu GPS dân sự thứ 3, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu đòi hỏi đối với vận chuyển an toàn của cuộc sống và các ứng dụng hiệu năng cao Hơn nữa, tốc độ tạo chip cao hơn mã C/A, L5 sẽ giúp các máy thu giải quyết tốt hơn vấn đề đa đường.Trong năm 2009, Không quân Mỹ đã phát thành công tín hiệu L5 thử nghiệm trên vệ tinh GPS IIR-20M Vệ tinh GPS IIF đầu tiên với máy phát L5 đầy đủ được đưa ra vào tháng 5 năm 2010

Hình 2.7: Cách bố trí các tín hiệu GPS

- L1C là tín hiệu GPS dân dụng thứ tư, được thiết kế để cho phép khả năng tương tác giữa GPS và các hệ thống định vị vệ tinh quốc tế (như Galileo) Tính năng điều biến Multiplexed Binary Offset Carrier (MBOC) được sử dụng để cải thiện việc tiếp nhận điện thoại di động ở các thành phố và các môi trường đầy thách thức khác Hệ thống vệ tinh Quasi-Zenith của Nhật Bản (QZSS) và hệ thống BeiDou của Trung Quốc cũng đang áp dụng các tín hiệu giống L1C L1C bao gồm kênh dữ liệu L1C-I và kênh thí điểm L1C-Q Mỹ sẽ tung ra tín hiệu L1C đầu tiên với GPS III Tín hiệu này sẽ được phát với cùng tần số như tín hiệu L1 C/A ban đầu, nó sẽ được giữ lại để tương thích ngược

2.1.3 Các nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Ngoài nguyên nhân chủ quan do chính phủ Mỹ sử dụng mã P, để phục vụ mục đích quân sự, còn có những nguyên nhân khác ảnh hưởng tới tín hiệu GPS Các nguồn gây ra sai số trên tín hiệu có thể phân thành 3 nhóm: lỗi liên quan đến vệ tinh, lỗi gây

ra do máy thu, và lỗi liên quan đến môi trường truyền tín hiệu Lỗi liên quan đến vệ tinh bao gồm sai số do đồng hồ vệ tinh và sai số do quỹ đạo vệ tinh Lỗi liên quan đến máy thu bao gồm sai số do độ lệch tâm pha ăng-ten, sai số đồng hồ máy thu, nhiễu Lỗi liên quan đến đường truyền bao gồm độ trễ gây bởi tầng đối lưu và tầng điện ly, hiệu ứng đa đường truyền, nhiễu (Đặng Nam Chính, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 143-151):

Độ lệch đồng hồ vệ tinh: Đồng hồ nguyên tử gắn trên vệ tinh thường bị chi phối

bởi nhiễu và gây ra các sai số trễ Các tín hiệu truyền về thường chứa đựng thông tin

Hình 2.8: Hiệu ứng đa đường truyền trong quan sát

hiệu chỉnh cho các sai số này và đánh giá mức độ chính xác của đồng hồ vệ tinh Tuy nhiên các giá trị này lại được dự báo dựa trên những quan sát trước đó và có thể không cho ta biết được trạng thái hiện tại của đồng hồ vệ tinh như thế nào

Sai số quỹ đạo vệ tinh: Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo

vị trí không chính xác

Sai số do máy thu: sự chính xác của tín hiệu thu nhận cũng phụ thuộc vào loại

máy thu, môi trường đặt máy, độ chính xác đồng hồ, phần mềm sử dụng, hay độ lệch tâm pha ăng-ten: Tâm pha của ăng-ten là điểm mà tại đó tín hiệu radio được đo và thông thường không đồng nhất với tâm của ăng-ten về phương diện hình học Độ lệch phụ thuộc vào góc nhìn vệ tinh, góc phương vị, và cường độ tín hiệu vệ tinh, và khác nhau đối với tần số f1 và f2

Hiệu ứng đa đường truyền: Trong GPS, hiện tượng đa đường truyền xuất hiện

khi tín hiệu phát từ vệ tinh bị va đập vào các tòa nhà, bờ tường hay các dạng địa hình khác trước khi đến ăng-ten thu Các tín hiệu này mất nhiều thời gian đến ăng-ten thu hơn là được truyền theo đường thẳng Kết quả là nhiều bản sao của một tín hiệu xuất hiện tại ăng-ten thu Tín hiệu thực được ghi lại sẽ là tổng của nhiều bản sao đó Không

có một mô hình chuẩn trong hiệu ứng đa đường truyền, sai số do hiện tượng này ở mỗi máy thu là khác nhau, có tính đặc thù riêng do yếu tố địa hình ảnh hưởng Tuy nhiên ảnh hưởng của hiệu ứng này có thể được ước lượng bằng cách tổ hợp các phép

đo giả khoảng cách và pha mang trên hai tín hiệu L1, L2 Nguyên lý này dựa trên thực

tế là sai số do đồng hồ, do tầng đối lưu và các một số hiệu ứng khác ảnh hưởng đến

mã và pha mang có tổng giống nhau Điều này không còn đúng đối với sự phản xạ trên tầng điện ly và hiệu ứng đa đương truyền là độc lập tần số

Sai số gây bởi tầng đối lưu: Tín hiệu GPS không truyền với vận tốc ánh sáng

trong chân không khi truyền qua vùng này Sự sai lệch vận tốc truyền sóng radio thay đổi theo nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong tầng đối lưu Cả trị đo giả khoảng cách code

và trị đo giả khoảng cách pha đều có độ trễ giống nhau khi đi qua vùng này

Sai số gây bởi tầng điện ly: Do có sự tồn tại các điện tử tự do trong tầng điện

ly, gây ra sự trễ nhóm và sự sớm pha tín hiệu vệ tinh GPS khi truyền qua Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào số lượng điện tử tổng cộng dọc theo đường tia hay phụ thuộc vào nghịch đảo bình phương tần số sóng Đây có thể được coi là nguồn gây nhiễu đối với các ứng dụng xác định vị trí chính xác nhưng lại là thông tin quan trọng trong nghiên cứu đặc trưng của tầng điện ly

2.1.4 Các trị đo GPS

Các kiểu trị đo của các máy thu GPS tùy thuộc vào khả năng kỹ thuật của các loại máy thu khác nhau Các kiểu máy thu tần số đơn chỉ có thể thu được trên tín hiệu L1, trong khi đó những máy thu hai tần số có thể thu được cả hai tín hiệu L1 và L2 Nhưng trong bất kỳ trường hợp nào các quan sát GPS đều thu được ba thông tin được gọi là: giả khoảng cách, pha sóng mang và độ dịch tần số Doppler

Hình 2.9: Các nguồn lỗi tín hiệu GPS

2.1.4.1 Trị đo giả khoảng cách (code)

Tín hiệu mã C/A, mã P hoặc mã hóa Y được phát ra bởi vệ tinh k tại thời điểm

tk và được thu bởi máy thu i tại thời điểm ti được xác định như sau:

Pik = c(ti− tk) = cτik (1.1) Trong đó Pik là giả khoảng cách (trị đo mã hóa) được biểu thị bằng đơn vị độ dài; c là vận tốc ánh sáng trong chân không; ti là thời gian tới (quan sát) của tín hiệu,

đo bởi đồng hồ máy thu i; tk là thời gian phát tín hiệu, đo được trong hệ quy chiếu thời gian của vệ tinh k; τik = ti− tk là thời gian truyền tín hiệu không kể sai số của đồng hồ vệ tinh và của máy thu

Giả khoảng cách Pik có thể liên quan tới khoảng nghiêng pik, khoảng cách hình học giữa máy thu i tại thời điểm ti − ∆ti và vệ tinh k tại thời điểm tk− ∆tk, và sự trễ gây bởi tầng khí quyển của Trái Đất Vì vậy giả khoảng cách trong phương trình (1.1) được viết lại như sau:

Pik = pik+ c(∆ti − ∆tk) + ∆pi,tropk + ∆pi,ionk + c(bk+ bi) + ε (1.2) trong đó, pik là khoảng cách thực từ vệ tinh thứ k đến máy thu thứ i; ∆ti, ∆tk là các độ lệch của đồng hồ máy thu và đồng hồ vệ tinh so với thời gian của hệ thống GPS; ∆pi,tropk là độ trễ của tín hiệu do tầng đối lưu (hoặc tầng khí quyển trung hòa);

∆pi,ionk là độ trễ của tín hiệu do tầng điện ly; bk, bi là các độ trễ do phần cứng của máy thu và của vệ tinh được biểu thị bằng đơn vị thời gian; c là vận tốc ánh sáng trong chân không; ε là sai số ngẫu nhiên, trong đó bao gồm cả sai số do hiệu ứng nhiều đường truyền của tín hiệu (Trần Thị Lan, 2015, trang 48-49)

2.1.4.2 Trị đo pha sóng mang

Trị đo pha là hiệu số giữa pha sóng tải nhận từ vệ tinh qua ăng-ten máy thu và pha sóng tạo ra trong máy thu nhờ bộ tạo dao động Có thể đo được khoảng cách từ

vệ tinh tới máy thu bằng pha sóng tải Khoảng cách này sẽ bằng tích của hai thừa số, một là độ dài bước sóng tải và thừa số thứ hai là pha Máy thu có thể đo được phần

lẻ của bước sóng một cách rất chính xác (dưới 2mm) Nhưng không đo được số nguyên lần bước sóng Nên nó được coi là ẩn số hay còn gọi số nguyên đa trị N Viết lại phương trình quan sát (1.1) tương ứng cho trị đo pha mang ta có:

Lki = pik+ c(∆ti − ∆tk) + ∆pi,tropk − ∆pi,ionk + λBik+ ε (1.3) trong đó, Lki là trị đo pha mang, được biểu thị bằng đơn vị độ dài; pik là khoảng cách thực từ vệ tinh thứ k đến máy thu thứ i; λ là bước sóng tương ứng, c là vận tốc ánh

sáng trong chân không; Bik là ký hiệu độ lệch không đổi, được biểu thị bằng vòng quay, về nguyên tắc chứa giá trị không xác định pha mang ban đầu Nik Nói một cách chặt chẽ, λBik chứa λ(Nik+ δNik) + c(bk+ bi) , trong đó, Nik là số nguyên và δNik

ký hiệu cho sự ảnh hưởng gây bởi “pha kết thúc” Tuy nhiên, người ta không thể tách

Nik khỏi bk và bi và vì vậy phải thay thế bằng λBik trong đó Bik bây giờ là một số thực Trong trường hợp tổng quát, một tham số độ lệch chưa biết Bik phải được xác định cho mỗi lần vệ tinh đi qua, cho mỗi máy thu và mỗi tần số

So sánh các phương trình (1.2) và (1.3), người ta thấy rằng độ trễ nhóm và sự sớm pha gây bởi sự khúc xạ điện ly ∆pi,ionk có độ lớn bằng nhau nhưng ngược dấu (Trần Thị Lan, 2015, trang 49)

2.1.4.3 Trị đo Doppler

Tần số Doppler là hệ số thay đổi khi quan sát pha mang, nó phản ánh quan hệ vận tốc giữa máy thu và vệ tinh GPS Thông tin này có thể sử dụng khi tính vi sai vận tốc Phương trình biểu diễn tương tự như phương trình trị đo pha mang nhưng không bao hàm hệ số chứa tham số không xác định ban đầu là:

φik = pik+ c(∆ti− ∆tk) + ∆pi,tropk − ∆pi,ionk + ε (1.4) trong đó, φik là hệ số pha của pha mang, được biểu thị bằng đơn vị độ dài Các tham

số còn lại tương tự như trong phương trình (1.3) (Trần Thị Lan, 2015, trang 50) Trong đồ án này chỉ tập trung vào khai thác số hạng ∆pi,ionk , chứa thông tin về tầng điện ly

2.2 Tầng điện ly và ảnh hưởng của tầng điện ly lên tín hiệu GPS

- Năng lượng bức xạ ion hoá của Mặt Trời

- Hệ số hấp thụ năng lượng này của các thành phần khí trong tầng điện ly

- Mật độ khí quyển

Đến một độ cao nào đó mà sự ion hoá hoà hợp được 3 yếu tố trên thì đạt được mức độ ion hoá lớn nhất, quá trình đó dẫn đến giá trị cực đại của mật độ điện tử theo chiều cao Do trong tầng điện ly có nhiều loại phân tử khác nhau nên có nhiều cực trị mật độ điện tử, dựa vào đó người ta đã phân tầng điện ly thành bốn lớp: lớp D, lớp E, lớp F1 và lớp F2

Quá trình ion hoá là do hoạt động của các tia cực tím của Mặt trời, của các thiên thể và của Vũ trụ (tia gama và X) cùng với sự cọ xát của các thiên thạch hoặc tiểu thiên thạch sau khi rơi vào khí quyển Quá trình ion hoá trong tầng điện ly là do tia mặt trời tác động vào lớp khí quyển Vì thế mức độ ion hoá phụ thuộc vào sự hoạt

động của Mặt trời thể hiện qua sự biển đổi của các vết đen (plasma) trên Mặt trời

Hiện tượng thay đổi số lượng plasma trên Mặt trời diễn ra với chu kỳ lặp lại khoảng

11 năm Vào ban đêm hiện tượng ion hoá không diễn ra, các điện tử tự do có xu thế kết hợp lại, chính vì thế số lượng điện tử tự do vào ban đêm (phần tối của khí quyển trái đất) ít hơn (Đặng Nam Chính, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 70)

Qua khảo sát người ta kết luận rằng sự thay đổi của mật độ điện tử tự do trong tầng điện ly không cố định mà biến đổi phụ thuộc vào thời gian ngày, đêm, vào mùa trong năm và vị trí điểm xét (chủ yếu là phụ thuộc vào độ vĩ) Các vụ nổ trên Mặt trời tạo nên hiện tượng bão từ sẽ gây ra sự xáo trộn bất thường trong tầng điện ly và ảnh hưởng đáng kể đến sự lan truyền tín hiệu từ vệ tinh (Đặng Nam Chính, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 70)

Hình 2.10: Sơ đồ tầng khí quyển và các lớp điện ly của trái đất

2.2.2 Các lớp tầng điện ly

2.2.2.1 Lớp D

Lớp D là lớp thấp nhất của tầng điện ly, nằm trong khoảng độ cao từ 60 đến 90

km Nguồn ion hoá lớp D là bức xạ vạch Lyman alpha (Ly α), đối tượng ion hoá là phân tử NO tạo ra NO+ Lớp này có hiệu ứng âm lên các sóng radio do nó chỉ hấp thụ năng lượng sóng radio, đặc biệt với các tần số thấp hơn 7MHz Lớp D xuất hiện ngay sau khi Mặt Trời mọc và biến mất khi Mặt Trời lặn Giá trị ion hoá cực đại của lớp D đạt được khi góc thiên đỉnh của Mặt Trời bằng 0º Quá trình tái hợp xảy ra rất mạnh

ở lớp D, hiệu ứng ion hóa thực là thấp, nhưng sự mất mát năng lượng sóng chủ yếu gây bởi các va chạm thường xuyên của các điện tử Kết quả là sóng radio tần số cao (HF) không bị phản xạ bởi lớp D nhưng chịu sự mất mát năng lượng trong lớp này Người ta thấy rằng lớp D chủ yếu bị chi phối bởi năng lượng bức xạ của Mặt Trời, có

ba loại hấp thụ liên quan đến bùng nổ Mặt Trời trong lớp D:

- SID (Sudden Ionospheric Disturbance)- nhiễu loạn điện ly bất ngờ, hấp thụ SID diễn ra trong khoảng 30 phút đến 1 giờ vào thời gian ban ngày Hiện tượng này làm cho nồng độ điện tử trong vùng D tăng lên gây ra hiện tượng hấp thụ mạnh các tín hiệu vô tuyến điện

- Loại hấp thụ xuất hiện ban đêm liên quan đến hiện tượng cực quang và nhiễu loạn từ trong lớp D vùng cực

- Loại PCA (Polar Cap Absorption) liên quan đến các hạt năng lượng cao xuyên vào lớp D do bùng nổ sắc cầu trên đĩa mặt trời gây ra

Mật độ điện tử cực đại của lớp D không đo được bằng máy thăm dò thẳng đứng

mà thu được từ kết quả thăm dò bằng tên lửa: Nmax ≈ 103 e/cm3 và đạt được ở độ cao khoảng 80 km Hầu hết thông tin về biến thiên theo độ cao của nồng độ điện tử

và tần số va chạm trong lớp D của tầng điện ly thu được một cách gián tiếp từ các nghiên cứu truyền sóng, các thông tin bổ xung thu được từ các tài liệu đo đạc bằng tên lửa

2.2.2.2 Lớp E

Lớp E là lớp điện ly nằm ngay phía trên của lớp D ở độ cao khoảng từ 90 đến

150 km Lớp E được hình thành bởi bức xạ ion hoá của Mặt Trời, chủ yếu là bức xạ Rơngen Lớp này chỉ có thể hấp thụ sóng radio có các tần số nhỏ hơn 5 MHz Lớp E xuất hiện ngay sau khi Mặt Trời mọc và biến mất sau khi Mặt Trời lặn vài giờ Thực

tế vẫn tồn tại lớp E ban đêm và thường gọi là lớp E2, nhưng vì về đêm mật độ điện

tử trong vùng E rất thấp nên không thể đo đạc được Trong lớp E các ion chủ yếu là

vào các yếu tố như: thời gian trong ngày, mùa trong năm, vị trí địa lý và sự hoạt động của Mặt Trời Giá trị mật độ đạt cực đại vào giữa trưa với Nmax ≈ 105 e/cm3 vào thời

kỳ mặt trời hoạt động yếu và Nmax ≈ 1,5*105 e/cm3 vào thời kỳ mặt trời hoạt động mạnh

Thăm dò điện ly thường phát hiện ra các lớp hoặc các mảng ion dày đặc trong lớp E ở các độ cao từ 90 km đến 120 km, dường như không liên quan tới lớp E ban ngày bình thường Hiện tượng này được biết như là lớp E rời rạc hay lớp Es vì nó không có dáng vẻ đều đặn Đôi khi Es xuất hiện như là các bản mỏng che khuất lớp

F bên trên Ở các thời điểm khác, nó có thể dưới dạng loang lổ trong suốt từng phần đối với các sóng phản xạ từ các lớp cao hơn Sự xuất hiện của Es liên quan đến các dòng hạt năng lượng cao phát ra từ Mặt Trời xâm nhập vào khí quyển, liên quan đến nhiễu loạn điện từ trường, hiện tượng cực quang, chế độ gió trong lớp E và những chuyển động rối của khí quyển trong lớp E

2.2.2.3 Lớp F

Lớp F là lớp cao nhất của tầng điện ly Vào thời gian ban ngày, khi Mặt Trời chiếu sáng lên phần trên của khí quyển chứa lớp F gây ra sự phân tách lớp F thành hai lớp và được gọi là lớp F1 và lớp F2 Khi Mặt Trời lặn, độ cao của lớp lúc này nằm trong khoảng từ 250 đến 500km Lớp F có thể phản xạ các sóng radio có tần số tới

20 MHz và thậm chí tới 25 MHz Các ion ở phần dưới của lớp F chủ yếu là NO+ và phần trên là O+ chiếm ưu thế

Lớp F1 là lớp trung gian giữa lớp E và lớp F2, nằm trong khoảng độ cao từ 150 đến 200 km, chỉ xuất hiện ban ngày khi có Mặt Trời chiếu sáng lên phần trên của khí quyển chứa lớp F Phần dưới của lớp F1 chủ yếu là các ion NO+ và O+, càng lên cao thì ion O+ chiếm ưu thế Lớp F1 phản xạ được các sóng radio có tần số đạt tới 10 MHz Giá trị cực đại của mật độ điện tử lớp F1 đạt được vào giữa trưa Lớp F2 là lớp quan trọng nhất của tầng điện ly, rộng nhất và biến đổi phức tạp nhất

Lớp F2 thường phân bố ở độ cao từ 200 km trở lên Các phép đo bằng phổ kế khối lượng vệ tinh cho biết thành phần cơ bản của lớp F2 là ion nguyên tử N+ và O+ Những đặc điểm của lớp F2 và sự biến đổi của chúng rất phức tạp và có quan hệ mật thiết với các hoạt động xẩy ra trên đĩa mặt trời Những đặc điểm biến thiên này thường không phù hợp với kết luận trong lý thuyết hình thành điện ly, sự sai lệch giữa thực

tế quan sát được và lý thuyết được gọi là dị thường lớp F2 Lớp F2 có các dị thường sau: dị thường ngày đêm, dị thường địa lý, dị thường mùa và dị thường tháng 12 Lớp F2 có thể phản xạ được các sóng radio có tần số đạt tới 50 MHz trong suốt một thời

kỳ cực đại vết đen mặt trời và các tần số cực đại có thể đạt tới 70 MHz trong một số trường hợp đặc biệt

Tầng điện ly thường được phân thành 3 vùng địa lý khác nhau dựa trên các đặc trưng, hình dáng và tính chất động học khác nhau của chúng Tầng điện ly vùng xích đạo và vĩ độ thấp (từ 0º đến ±30º), tầng điện ly vùng vĩ độ trung bình (từ ±30º đến

±50º) và tầng điện ly vùng vĩ độ cao (từ ±50º đến ±90º) tính từ xích đạo từ ở hai bán cầu của Trái Đất Giá trị cực đại của mật độ điện tử thường nằm trong vùng xích đạo của tầng điện ly, và thường vào đầu buổi chiều Cũng có những vùng có nồng độ điện

tử rất cao tại các vĩ độ từ trong khoảng ±20º Các cực đại của chúng được gọi là dị thường xích đạo Tầng điện ly ở vùng vĩ độ trung bình ít biến đổi Nó cũng được quan sát tốt nhất vì hầu hết các thiết bị thăm dò tầng điện ly đều tập trung ở vùng này Ở các vùng vĩ độ cao và vùng cực quang, cực đại mật độ điện tử nhỏ hơn đáng kể so với vùng vĩ độ thấp Tuy nhiên, vùng vĩ độ cao có rất nhiều hiện tượng bất ổn định plasma, nghĩa là các biến thiên thời gian ngắn của mật độ điện tử nói chung lớn hơn nhiều so với ở vùng vĩ độ thấp Tại các chỏm cực, ở đó góc thiên đỉnh của Mặt Trời gần như không đổi, biến thiên ngày đêm vẫn còn phát hiện được Điều đó chỉ ra rằng

có nhân tử khác ngoài bức xạ mặt trời cũng đóng một vai trò trong việc xác định mật

độ điện tử trong tầng điện ly

2.2.3 Ảnh hưởng của tầng điện ly đến tín hiệu GPS

Tầng điện ly có thể được coi là nguồn gây ra sai số đáng kể nhất lên độ chính xác trong phép định vị dẫn đường Sai số khoảng cách gây bởi tầng điện ly có thể thay đổi từ một vài mét cho đến vài chục mét tại thiên đỉnh Tầng điện ly là một môi trường tán xạ sóng radio, chỉ số khúc xạ là một hàm của tần số sóng, và hai tần số GPS sử dụng cũng bị tác động trực tiếp bởi tầng điện ly Không giống như tầng đối lưu, mật độ điện tử trong tầng điện ly có thể thay đổi rất nhanh về giá trị tuyệt đối Mặc dù sai số về khoảng cách gây ra bởi tầng đối lưu thường không thay đổi trong khoảng ±10%, kể cả trong khoảng thời gian dài, trong khi đó sai số gây bởi tầng điện

ly thay đổi thường ít nhất một bậc biên độ trong tiến trình ngày đêm Các ảnh hưởng chính của tầng điện ly lên tín hiệu GPS có thể kể đến như: Sự trễ nhóm hay sai số khoảng cách tuyệt đối, sự sớm pha hay sai số khoảng cách tương đối và nhấp nháy tín hiệu

Tham số của tầng điện ly gây ra hầu hết các ảnh hưởng lên tín hiệu GPS là tổng

số các điện tử trong tầng điện ly, thường gọi là nồng độ điện tử tổng cộng (TEC) Giá trị TEC là tổng số lượng ion trong đường truyền thẳng (từ vệ tinh đến máy thu) có thiết diện là 1m2 Đơn vị của TEC là 1016 điện tử/m2, ký hiệu là TECU Trong thực

tế TEC thường có giá trị lớn hơn đơn vị, trong khoảng 1 đến 1000 đơn vị (TECU) tức

là cỡ 1016 đến 1019 Giá trị TEC không cố định, thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như ngày hay đêm, trạng thái hoạt động của Mặt trời, vị

trí địa lý điểm quan sát và góc cao của vệ tinh tại điểm quán sát Giá trị TEC phụ thuộc vào góc cao có thể tính từ TEC theo phương thẳng đứng, gọi là VTEC (Đặng Nam Chính, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 72):

TEC = VTEC

cos Z′ (2.1)

trong đó Z’ là góc thiên đỉnh của vệ tinh xét tại điểm ion IP (Ionospheric Point)

Điểm IP là điểm giao cắt giữa đường truyền tín hiệu với mô hình lớp đơn điện

ly, do đó còn được gọi là điểm xuyên lớp đơn điện ly IPP (hình 2.11), điểm IP có độ cao H trong khoảng từ 300 km đến 400 km Độ cao H này chỉ nhạy cảm đối với các

vệ tinh có góc cao E nhỏ

Giá trị góc Z’ trong (2.1) được tính theo công thức sau:

sin Z′ = R

R + H sin Z (2.2) trong đó Z là góc thiên đỉnh của vệ tinh tại điểm quan sát; R là bán kính trung bình của Trái đất

Người ta đã tiến hành nghiên cứu giá trị VTEC ở các vị trí khác nhau trên Trái đất, tuy nhiên tại mỗi vị trí, giá trị VTEC không phải là giá trị bất biến mà luôn thay đổi nên thực tế phải ước lượng gần đúng VTEC trong tính toán

Một đặc điểm quan trọng của ảnh hưởng tầng điện ly đến tín hiệu sóng điện từ

là phụ thuộc vào tần số sóng tải của tín hiệu Trong tầng điện ly, vận tốc nhóm của tín hiệu bị giảm đi còn vận tốc pha lại tăng lên, do đó đã gây ra sai số trong đo khoảng

Hình 2.11: Mô hình lớp đơn tầng điện ly

cách từ vệ tinh đến máy thu theo phương pháp sử dụng code (C/A code, P-code) và

sử dụng pha sóng tải như sau (Trần Thị Lan, 2015, trang 53):

2.2.3.1 Sự trễ nhóm – Đối với tín hiệu code (khi đo khoảng cách giả)

Sự trễ nhóm tín hiệu gây ra bởi tầng điện ly khi truyền qua nó sẽ phát sinh sai

số về khoảng cách khi đo, nó có thể được biểu diễn theo đơn vị khoảng cách hoặc theo đơn vị thời gian trễ tùy theo nhu cầu của người sử dụng Sự trễ nhóm liên quan đến chỉ số khúc xạ trong môi trường điện ly do có sự xuất hiện các điện tử tự do, được tính theo công thức sau:

∆t =1

c∫(1 − n)dl (2.3) hay ∆r = ∫(1 − n)dr (2.4) trong đó Δt, Δr là độ trễ nhóm tính theo đơn vị thời gian và khoảng cách, c là vận tốc ánh sáng trong chân không, n là chỉ số khúc trong tầng điện ly Chỉ số khúc xạ của tầng điện ly tại tần số GPS có thể biểu diễn như sau :

n = 1 −X

2 (2.6) trong đó: X =40.3

c f2 ∫ Nedl, Ne là mật độ điện tử tính bằng e/m3

Và độ trễ nhóm gây bởi tầng điện ly được tính như sau:

∆t = 40.3

c f2∫ Nedl (giây) (2.7) đại lượng ∫ Nedl là TEC, nồng độ điện tử tổng cộng dọc theo đường tia sóng từ máy thu đến vệ tinh

Đối với máy thu hai tần số f1và f2 thì sự sai khác độ trễ nhóm gây ra bởi hai tần số được biểu diễn như sau:

là 1,546 Nếu hai tần số GPS được chọn quá gần nhau thì hiệu độ trễ về thời gian gây bởi tầng điện ly giữa hai tần số sẽ rất nhỏ, do vậy sẽ bị lẫn vào mức nhiễu của hệ thống máy thu Khi sự phân tách của tần số trên tín hiệu L1 và L2 rộng hơn thì khả năng đánh giá sai số khoảng cách gây bởi tầng điện ly sẽ chính xác hơn nhưng đòi hỏi phải có hai ăng-ten phát và thu riêng biệt Vì vậy việc lựa chọn hai tần số GPS để thu được yếu tố tỷ lệ điện ly là 1,546 là một sự nghiên cứu để xắp đặt giữa thiết kế phần cứng của hệ thống và yêu cầu về thông tin độ trễ thời gian do tầng điện ly Mặc

dù độ trễ Δt1 bằng 1,546 lần hiệu độ trễ của cả hai tần số có liên quan đến nhiễu, nhưng thời gian trễ thu được từ hiệu giả khoảng cách có thể được lấy trung bình trong một khoảng thời gian nào đó, do vậy nó vẫn có thể đo được với độ chính xác đạt tới nano giây Hạn chế trong phép đo hiệu giả khoảng cách tuyệt đối chủ yếu gây bởi yếu

tố nhiều đường và sự thiếu thông tin khi máy thu chỉ thu nhận tín hiệu từ một vệ tinh GPS (Trần Thị Lan, 2015, trang 54-55)

2.2.3.2 Sự sớm pha – Đối với tín hiệu pha (khi sử dụng trị đo pha sóng tải)

Khi tín hiệu radio truyền qua tầng điện ly, pha mang của tần số sóng truyền đi

sẽ sớm hơn (nhanh hơn) so với vận tốc của nó trong chân không Sự sớm pha liên quan đến chỉ số khúc xạ trong môi trường điện ly do có sự xuất hiện các điện tử tự

do, được tính theo công thức sau:

Trong trường hợp máy thu hai tần số, tín hiệu L1 và L2 được phát đi liên tục và hai tần số này cùng được rút ra từ một dao động chung 10,23 MHz Độ lệch hiệu pha giữa hai tần số có thể đo được và liên quan đến TEC theo công thức sau:

2.2.3.3 Nhấp nháy tín hiệu

Khi tín hiệu vệ tinh GPS truyền qua một vùng nhiễu loạn mật độ điện tử qui mô nhỏ trong tầng điện ly có thể chịu một sự dao động nhanh về biên độ và pha, hiện tượng này được gọi là nhấp nháy điện ly (Ionospheric Scintillation) Các nhiễu loạn gây ra các dao động thăng giáng tỷ lệ nhỏ trong chỉ số khúc xạ và tiếp đến là sự tán

xạ (scattering) của mặt đầu sóng, phát sinh các dao động pha dọc theo mặt pha của tín hiệu

Nhấp nháy điện ly sẽ làm giảm độ chính xác trong phép định vị GPS Dọc theo mỗi đường truyền vệ tinh-máy thu, sai số này được đưa vào các phép đo giả khoảng cách và pha mang Biên độ nhấp nháy mạnh có thể gây ra sự sụt giảm công suất của tín hiệu xuống dưới ngưỡng máy thu và do đó gây ra sự mất tín hiệu trong thời gian quan sát Khi nhấp nháy trên đường truyền đủ mạnh thì đường truyền không liên tục

và không có giá trị cho việc sử dụng trong lời giải định vị Việc mất đi mỗi một đường truyền dẫn sẽ làm tăng giá trị DOP (dilution of precision) do đó sẽ ảnh hưởng lên độ chính xác trong phép định vị và khi có ít hơn 4 đường truyền được duy trì tại bất kỳ thời điểm nào sẽ gây ra sự mất tạm thời dịch vụ cung cấp thông tin định vị Khoảng thời gian bị tạm ngừng (outages) phụ thuộc vào khoảng thời gian và mức độ dữ dội của nhấp nháy, phụ thuộc vào yếu tố hình học của vệ tinh và thời gian phục hồi của thiết bị

Độ lớn của nhấp nháy phụ thuộc vào đặc trưng gradient của vùng dị thường mật

độ, nếu vùng dị thường có gradient mật độ lớn sẽ gây ra nhấp nháy biên độ mạnh và ngược lại vùng có gradient mật độ nhỏ sẽ gây ra nhấp nháy biên độ yếu Theo kết quả thống kê đã chỉ ra rằng, trạng thái bất đồng nhất điện tử trong môi trường điện ly thường gây ra hiện tượng nhấp nháy và chủ yếu xuất hiện trong lớp F của tầng điện

ly tại độ cao trong khoảng từ 200 đến 1000km, tập trung nhiều trong khoảng độ cao

từ 250 đến 400km Các nhiễu loạn xuất hiện trong lớp E như Sporadic-E và lớp E vùng cực quang cũng có thể gây ra nhấp nháy nhưng ảnh hưởng của chúng lên các tín hiệu GPS dải L rất nhỏ Sự xuất hiện nhấp nháy điện ly phụ thuộc vào vĩ độ, chủ yếu xuất hiện trong vùng xích đạo và vùng vĩ độ cao và phụ thuộc vào mức độ hoạt động của Mặt Trời, thường mạnh hơn vào giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh (Trần Thị Lan, 2015, trang 57-59)

2.3 Các biện pháp khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly

Tầng điện ly làm cho tín hiệu GPS bị trễ khi đến máy thu Vì thế trong mục này

sẽ xem xét các biện pháp khắc phục độ trễ điện ly này đối với các máy thu GPS hai tần số và một tần số, cũng như ưu và khuyết điểm của nó

2.3.1 Đối với máy thu GPS một tần số

Trong trường hợp sử dụng máy thu một tần số, có thể tính số hiệu chỉnh cho tầng điện ly hay độ trễ tầng điện ly từ các mô hình toán học mô hình hóa tầng điện

ly Từ đó, áp dụng số hiệu chỉnh này vào trị đo GPS nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của tầng điện ly để nâng cao độ chính xác cho máy thu GPS một tần số Các mô hình thực nghiệm để mô hình hóa tầng điện ly được dùng khá phổ biến hiện nay:

- Mô hình Klobuchar do John A Klobuchar nghiên cứu và phát triển Có thể tính hiệu chỉnh vào trị đo GPS dựa vào 8 tham số (αi, βi) về tầng điện ly trong thông tin đạo hàng

- Mô hình do tổ chức IGS cung cấp, là một mạng lưới ô vuông các giá trị TEC rải đều toàn cầu, tạm gọi là mô hình IGS Dựa trên mạng lưới trạm quan trắc thường trực của IGS, phối hợp với các số liệu viễn thám siêu cao tần, người ta đã xây dựng được cơ sở dữ liệu về tầng điện ly trên toàn cầu ở dạng tệp IONEX mà thực chất là

các bản đồ VTEC toàn cầu (Global Ionosphere Maps) Số liệu trong tệp IONEX có

dãn cách thời gian là 2 giờ và theo vị trí địa lý với dãn cách độ kinh là 5º và dãn cách

độ vĩ là 2,5º Dữ liệu IONEX được sử dụng trong những trường hợp xử lý sau kết quả

đo GPS chính xác phục vụ nghiên cứu địa động Dữ liệu TEC toàn cầu cũng có khả năng được cung cấp tức thời phục vụ định vị vi phân cải chính toàn cầu GDGPS (Đặng Nam Chinh, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 75)

- Ngoài ta, ta có thể dựa vào các trị đo pha của một số máy thu GPS hai tần số trong khu vực để tính ra số hiệu chỉnh điện ly tại khu vực đó Sau đó hiệu chỉnh độ trễ điện ly vào trị đo một tần số Phương pháp này tạm gọi là mô hình độ trễ điện ly địa phương

Trong đồ án này, mô hình Klobuchar được dùng để xác định độ trễ điện ly máy thu một tần số

vệ tinh E và thời gian lúc thu nhận tín hiệu Các cuộc thí nghiệm cho thấy rằng mô hình này có thể giảm 50-60% tổng độ trễ điện ly tại vùng địa lý vỹ tuyến giữa (Klobuchar, 1996)

Các bước tính toán hiệu chỉnh ảnh hưởng của tầng điện ly theo mô hình Klobuchar cho trị đo khoảng cách giả:

Gọi điểm xuyên IP là giao cắt của khoảng cách điểm đo - vệ tinh với “mặt điện ly”

- Khoảng cách điểm đo - vệ tinh p:

p = √(Xv− Xd)2+ (Yv− Yd)2+ (Zv− Zd)2 (3.1) trong đó: Xv, Yv, Zv là tọa độ vệ tinh

Xd, Yd, Zd là tọa độ điểm đo

- Góc cao của vệ tinh E:

E = arcsin (cos φdcos λd(Xv− Xd) + cos φdsin λd(Yv− Yd) + sinφd(Zv− Zd)

(3.2)

- Góc phương vị của vệ tinh α:

α = arctg ( cosλd(Yv− Yd) − sinλd(Xv− Xd)

cosφd(Zv− Zd) − sinφdcosλd(Xv− Xd) − sinφdsinλd(Yv− Yd)) (3.3) trong đó: φd, λd là tọa độ trắc địa của điểm đo

- Hệ số F là hàm ánh xạ chuyển độ trễ thẳng đứng tầng điện ly tại điểm xuyên

IP sang độ trễ nghiêng tầng điện ly tại điểm đo, có thứ nguyên là nửa vòng tròn (π)

F = 1 + 16 (0.53 −E

π)

3 (3.4)

- Góc địa tâm giữa điểm đo và điểm IP: 

- Vĩ độ từ Trái Đất của điểm IP:

(3.9)

Hình 2.13: Các hệ số tính độ trễ điện ly

trong đó: T là thời điểm đo theo thời gian GPS (số giây trong ngày)

- Chu kì P (giây):

3 i i 0

P = β Φ nếu P  72000 (3.10)

P = 72000 nếu P < 72000

- Cường độ A (giây)

3 i i i=0

T = cF.5.10 nếu π

x >

2Trong thuật toán Klobuchar, tọa độ máy thu là tọa độ gần đúng cho trong file trị đo RINEX, còn tọa độ vệ tinh phải được tính ra từ file bản lịch phát tín (hoặc tính

từ bản lịch vệ tinh chính xác) Tọa độ máy thu trong file trị đo là tọa độ X, Y, Z được tính chuyển sang tọa độ trắc địa φ, λ, h bằng công thức Bowring (được trình bày ở PHỤ LỤC 1) Các hệ số Klobuchar tính độ trễ điện ly có trong bản lịch phát tín, các

hệ số này nằm ngay trong phần HEADER của bản lịch phát tín, file NAVIGATION

2.3.1.2 Ưu điểm và nhược điểm của mô hình Klobuchar

Ưu điểm

- Các thông số để tính trong mô hình điện ly Klobuchar ngày này đều được cho trong bản lịch phát tín nên luôn sẵn có để tính độ trễ điện ly và có thể áp dụng cho các phương pháp đo thời gian thực

- Vì các thông số được cho trong bản lịch phát tín nên việc giải độ trễ điện ly theo mô hình Klobuchar là tức thời, nghĩa là sau khi thu thập dữ liệu đo GPS ta đã có ngay các thông số này trong file trị đo Và các phần mềm thương mại luôn hiểu được định dạng này

Nhược điểm: Mô hình Klobuchar cho độ chính xác thấp, chỉ khắc phục được khoảng 50-60% ảnh hưởng do nguồn sai số này gây ra

2.3.2 Đối với máy thu GPS hai tần số

Hệ thống định vị toàn cầu GPS chủ yếu sử dụng 2 sóng tải là L1, L2 tương ứng với các tần số là f1 và f2 Có thể thiết lập các công thức tính độ trễ tín hiệu L1 và L2 cho trị đo khoảng cách giả (đối với máy thu 2 tần số) như sau (Đặng Nam Chinh, Đỗ Ngọc Đường, 2012, trang 74-75):

Từ đó có thể xác định được giá trị TEC theo các trị đo khoảng cách giả của máy thu 2 tần số Công thức xác định TEC được rút ra từ biểu thức (3.15) sẽ là:

TEC = (p2− p1)

40.3

f12 f22(f12− f22) (3.16) Theo (3.14) và (3.16) dễ dàng nhận được các số hiệu chỉnh chậm trễ thời gian gây ra bởi tầng điện ly cho các tín hiệu L1,L2 như sau:

Với máy 2 tần số, người ta sử dụng tổ hợp tuyến tính các sóng tải để tạo nên tín hiệu L3 nhằm khắc phục ảnh hưởng của tầng điện ly đến các trị đo pha sóng tải Việc sử dụng máy thu 2 tần số để xác định đặc tính của tầng điện ly cũng là một ứng dụng của GNSS trong nghiên cứu môi trường, giám sát sự thay đổi khí quyển của Trái đất

Ưu điểm: Cho dù người sử dụng dùng phương pháp đo GPS nào đi nữa, từ đo tĩnh đến đo động hậu xử lý hay động thời gian thực, máy thu hai tần số đều dễ dàng khử ảnh hưởng của sai số điện ly Với trị đo kết hợp L3 có thể khử được đến 90% ảnh hưởng của điện ly, làm tăng độ chính xác

Nhược điểm

- Giá thành của một bộ máy thu GPS hai tần số khá đắt, thường cao hơn khoảng gấp 3 lần một bộ máy thu GPS một tần số

- Sai số điện ly không được xác định hoàn toàn do còn lẫn sai số tầng đối lưu

Vì vậy khi xử lí trị đo kết hợp L3, sai số điện ly hầu như được khử nhưng độ nhiễu lại tăng lên Cộng với việc giải đa trị trên L3 phải qua nhiều bước nên cũng phức tạp hơn rất nhiều

2.4 Thuật toán định vị tuyệt đối khoảng cách giả theo code

Định vị tuyệt đối là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong quân sự và thương mại để có thể xác định được vị trí thời gian thực Nguyên tắc định vị tuyệt đối GPS

là xác định khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh tại thời điểm quan sát và từ đó tính

ra tọa độ máy thu hay tọa độ điểm cần xác định Định vị tuyệt đối có thể sử dụng trị

đo khoảng cách giả tín hiệu code, trị đo khoảng cách giả theo pha hoặc trị đo Doppler (hiệu khoảng cách)

Định vị tuyệt đối bằng các trị đo khoảng cách giả theo code là bài toán phổ biến trong đạo hàng bằng GPS Để giải bài toán này, chúng ta sử dụng lời giải của bài toán giao hội ngược đo cạnh trong không gian, bản chất là bài toán ngược xác định tọa độ điểm trong định vị vệ tinh Theo nguyên tắc, phương trình trị đo khoảng cách giả từ

vệ tinh j đến máy thu i tại thời điểm t như sau (Đặng Nam Chinh, Đỗ Ngọc Đường,

2012, trang 126-129):

Rji(t) = pij(t) + cδi(t) − cδj(t) + δpi,tropj (t) + δpi,ionj (t) + c(bj+ bi) + ε (3.19) Trong đó: Rji(t) - khoảng cách giả đo được giữa vị trí quan trắc i và vệ tinh j

pij(t) - khoảng cách hình học giữa vệ tinh và điểm quan sát

c - vận tốc ánh sáng

δi(t), δj(t) - sai số đồng hồ vệ tinh và đồng hồ máy thu

δpi,tropk , δpi,ionk - độ trễ của tín hiệu do tầng đối lưu và tầng điện ly

bj, bi - độ trễ do phần cứng của máy thu và của vệ tinh

ε - sai số ngẫu nhiên

Trong đồ án này chỉ xét đến ảnh hưởng độ trễ của tầng điện ly nên các sai số độ trễ tín hiệu do tầng đối lưu, độ trễ do phần cứng của máy thu và vệ tinh, sai số ngẫu nhiên và một số ảnh hưởng khác sẽ được bỏ qua Sau đây là phương trình trị đo khoảng cách giả cần xét:

Rji(t) = pij(t) + cδi(t) − cδj(t) + δpi,ionj (t) (3.20)

Từ lịch vệ tinh phát tín hay chính xác ta có thể xác định được tọa độ vệ tinh

Xj(t), Yj(t), Zj(t) và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh δj(t) ở thời điểm đo

Như vậy khoảng cách giả trong phương trình (3.20) sau khi được hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh và hiệu chỉnh sai số độ trễ tầng điện ly sẽ là:

Rij(t) + cδj(t) − δpi,ionj (t) = pij(t) + cδi(t) (3.21) Khoảng cách hình học pij(t) từ vệ tinh đến ăng-ten máy thu tại điểm t được viết:

pij(t) = √[Xj(t) − Xi]2+ [Yj(t) − Yi]2+ [Zj(t) − Zi]2 (3.22) trong đó Xi ,Yi , Zi là toạ độ cần xác định của điểm quan sát trong hệ toạ độ Trái đất Như vậy ta có thể viết được phương trình trị đo khoảng cách giả theo code:

R̅ji(t) = √[Xj(t) − Xi]2+ [Yj(t) − Yi]2+ [Zj(t) − Zi]2+ cδi(t) (3.23) trong đó R̅

i

j

(t) = Rji(t) + cδj(t) − δpi,ionj (t) là khoảng cách giả đã hiệu chỉnh sai số đồng hồ vệ tinh và độ trễ điện ly

Nếu xét tại một thời điểm định vị (t), trong các phương trình trị đo (3.23) chỉ có

4 ẩn số, đó là toạ độ Xi ,Yi , Zi của điểm quan sát trong hệ tọa độ vuông góc không gian địa tâm (WGS-84) và sai lệch đồng hồ máy thu δi(t) tại thời điểm đó Về nguyên tắc, bốn ẩn số này hoàn toàn có thể giải được ngay nếu như đồng thời quan sát được

ít nhất 4 vệ tinh (hình 2.14)

Trong phương trình (3.23) chỉ có 4 ẩn số đó là Xi ,Yi , Zi và δi(t) Nếu quan sát đồng thời 4 vệ tinh thì sẽ giải được 4 ẩn số nói trên Thông thường có thể quan sát nhiều hơn 4 vệ tinh, khi đó 4 ẩn số trên sẽ được giải theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất

Giả sử ta quan sát được n vệ tinh (n > 4), với mỗi vệ tinh j ta có một phương trình trị đo khoảng cách giả dạng (3.23):

R̅ji(t) = √[Xj(t) − Xi]2+ [Yj(t) − Yi]2+ [Zj(t) − Zi]2+ cδi(t) (3.24) Sau khi áp dụng khai triển Taylor ta được phương trình số hiệu chỉnh:

lj = √[Xj(t) − Xi]2+ [Yj(t) − Yi]2+ [Zj(t) − Zi]2− R̅ij(t) (3.27) Trong phương trình (3.25), ký hiệu cδi(t) = ∆d và coi ∆d là ẩn số, như vậy ta

Sử dụng ký hiệu ma trận, hệ phương trình số hiệu chỉnh được viết:

Hình 2.14: Định vị tuyệt đối khoảng cách giả

V=AX+L (3.29) với:

dXi

dYi

dZi

∆d] ; L = [

l1

l2

ln] (3.30)

P = (sin ε)2 với  là góc cao vệ tinh (3.33) Góc cao từng vệ tinh được tính toán dựa vào tọa độ gần đúng của máy thu và tọa độ của từng vệ tinh (được trình bày ở PHỤ LỤC 2)

Ẩn số X sẽ nhận được từ kết quả giải hệ phương trình chuẩn:

X = −(ATPA)−1ATPL (3.34)

Để giải bài toán này, thường sử dụng phương pháp tính lặp nhích dần sẽ nhận được toạ độ của điểm quan sát Sau khi nhận được ẩn số thứ tư là ∆d, sai số đồng hồ máy thu được tính:

Hình 2.15: Sơ đồ chuyển đổi từ dữ liệu thô sang định dạng dữ liệu RINEX

xử lý số liệu được đo bởi máy thu GNSS của các hãng chế tạo máy thu khác nhau Trên thực tế, nếu biết được cấu trúc dữ liệu ở dạng RINEX, có thuật toán giải các bài toán định vị có thể xây dựng chương trình xử lý số liệu độc lập

Cho đến nay, có nhiều phiên bản định dạng dữ liệu RINEX được đề xuất như (http://www.igs.org/, 2017):

- Phiên bản 2.0 có thêm cấu trúc dữ liệu cho hệ thống Glonass, SBAS

- Phiên bản 2.10 đưa thêm giãn cách tín hiệu và chỉ số cường độ tín hiệu (Signal Strength)

- Phiên bản 2.11 có thêm 2 kí tự biểu diễn trị đo khoảng cách giả theo mã L2C

- Phiên bản 3.01 có thay đổi áp dụng với trị đo pha phụ thuộc vào mô hình theo dõi hoặc kênh theo dõi khác nhau

- Phiên bản 3.02 có thêm định nghĩa về dữ liệu đối với hệ thống vệ tinh COMPASS (Trung Quốc) và QZSS (Nhật Bản)

- Phiên bản 3.03 có thêm định nghĩa dữ liệu đối với hệ thống vệ tinh IRNSS (Ấn Độ)

RINEX được chuyển đổi từ các số liệu đo (thô) được cung cấp bởi các máy thu GNSS theo như sơ đồ trong hình 2.15 dưới đây:

Theo quy chuẩn kỹ thuật về xây dựng lưới toạ độ quốc gia (QCVN 04 - 2009 BTNMT) cho thấy tệp dữ liệu chuẩn RINEX đều có file dữ liệu được thể hiện dưới dạng xxxx-ddd-s, trong đó:

- xxxx là 4 chữ số cuối của số hiệu điểm

- ddd là số thứ tự của ngày trong năm (day of year)

- s là thứ tự của ca đo trong ngày (session number)

Từ phiên bản 2.10 thì số liệu đo ở dạng RINEX có dạng xxxxddds.yyo, xxxxddds.yyn trong đó:

Tệp thông tin trị đo

Lịch vệ tinh quảng bá

Tệp khí tượng Chuyển đổi

Định dạng dữ liệu

Bảng 2.2: Thời gian có được lịch vệ tinh và độ chính xác xác định tọa độ vệ tinh

(số liệu được cập nhật đến ngày 11/2017) (http://www.igs.org/products/data)

- xxxxddds được quy định như trên

- yy là hai số cuối của năm (ví dụ đối với năm 2017 yy có giá trị là 17)

- o là ký hiệu đối với file đo (observation)

- n là ký hiệu đối với file lịch vệ tinh quảng bá (navigation)

Ngoài file trị đo RINEX, cần có file thông báo hàng hải chứa 8 hệ số α và β để phục vụ cho việc tính toán độ trễ điện ly theo mô hình Klobuchar Có thể tải file này tại website của tổ chức Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) của

NASA theo đường link: https://cddis.nasa.gov/Data_and_Derived_Products/GNSS/ broadcast_ephemeris_data.html

2.5.2 Lịch vệ tinh chính xác

Lịch vệ tinh (ephemeris) là tập hợp số liệu thể hiện vị trí của vệ tinh dưới dạng hàm của thời gian Bản chất của việc sử dụng tín hiệu GNSS vào định vị đó là giải bài toán giao hội cạnh không gian mà tọa độ của các vệ tinh trên quỹ đạo đóng vai trò là số liệu gốc Để tính toán được tọa độ vệ tinh vào các thời điểm có trị đo, tùy thuộc vào yêu cầu độ chính xác xác định tọa độ điểm mà có thể sử dụng loại lịch vệ tinh khác nhau Lịch vệ tinh, theo độ chính xác được chia thành 3 loại lịch đó là lịch

vệ tinh dự báo, lịch vệ tinh quảng bá và lịch vệ tinh chính xác Các lịch vệ tinh này khác nhau về độ chính xác và thời gian có lịch vệ tinh Nếu phân chia theo thời gian tính toán được lịch thì có các phiên bản Ultra-rapid (với cách đặt tên tệp tin là igu), Rapid (với cách đặt tên tệp tin là igr) và Final (với cách đặt tên tệp tin là igs)

Lịch vệ tinh GPS chính xác (precise ephemeris) được lập dựa trên cơ sở các số

liệu quan trắc trong mạng lưới giám sát theo từng loại lịch vệ tinh và được tính toán nhờ một số tổ chức khoa học Các kết quả có thể sử dụng cho một số ngày (từ 4 đến

Loại lịch vệ tinh Thời gian có lịch so với

thời gian có trị đo

Độ chính xác xác định tọa độ vệ tinh